Korte opnamen in spuitgieten: oorzaakanalyse, oplossingen en praktijkvoorbeelden
In de productie van kunststofspuitgieten behoren short shots tot de meest voorkomende en destructieve kwaliteitsgebreken. Een short shot verwijst naar een situatie waarbij gesmolten kunststof de matrijsholte niet volledig vult tijdens het vulproces, wat resulteert in problemen zoals materiaaltekort, onvolledige randen en het opvullen van gaten in dunwandige delen van het gegoten product. Deze problemen hebben rechtstreeks invloed op de structurele integriteit, de nauwkeurigheid van de assemblage en de uiterlijke kwaliteit van het product.
Uit een casus van een fabrikant van nieuwe energievoertuigen blijkt dat een kortstondig probleem met alleen al dunwandige bumpers ervoor zorgde dat de productielijn van de klant 8 uur lang stil lag, met directe economische verliezen van meer dan 500.000 yuan tot gevolg (Opmerking: als het omrekenen naar een buitenlandse valuta contextueel relevanter is, kan "meer dan 70.000 Amerikaanse dollars" worden gebruikt, waarbij de wisselkoers is gebaseerd op de gemiddelde marktkoers rond 2024).
Uitgaande van het basismechanisme van korte opnamen, zal dit artikel systematisch de vier belangrijkste oorzaken uiteenzetten, uitgebreide oplossingen bieden voor materialen, mallen, processen en apparatuur, en de implementatiepaden illustreren met praktische cases.
I. De aard van korte shots: dynamische verstoring van de stroombalans
De vorming van korte stoten wordt niet door één enkele factor veroorzaakt; de essentie ervan ligt in de verstoring van het dynamische evenwicht tussen de "voortstuwingsenergie" en de "stromingsweerstand" van het gesmolten plastic tijdens het vulproces. Vanuit een microscopisch mechanismeperspectief moet het smeltfront drie kerntypen weerstand overwinnen om de holte volledig te vullen:
1. Viskeuze weerstand van het smeltsel zelf: gegenereerd door de viscositeit van het materiaal en de wrijving van de gieter;
2. Drukverval: Het drukverlies van het smeltwater van de poort naar het einde van de holte neemt exponentieel toe met de lengte van het stromingspad;
3. Temperatuurgradiënt: Door afkoeling van het smeltwater stijgt de viscositeit sterk. Voor elke temperatuurdaling van 10°C kan de viscositeit met een factor 2,3 toenemen (volgens de vergelijking van Arrhenius).
Wanneer de som van deze weerstanden de voortstuwende kracht van het injectiesysteem overschrijdt, stolt het smeltfront voordat de holte volledig is gevuld, wat resulteert in het 'short shot'-defect.
Typische verschijnselen van korte shots zijn onder meer:
● Toenemend materiaaltekort (geleidelijke verdunning van de poort tot het einde van het onderdeel);
● Onderbroken stroomonderbreking (verschijning van "bamboe-gewricht-achtige lijnen" op het oppervlak);
● Algemene ondervulling (onvoldoende vulling van de gehele holte);
● Lokaal tekort aan materiaal (ongevulde complexe structuren of netgebieden).
Verschillende manifestaties komen overeen met verschillende combinaties van oorzaken.
II. Vier kernoorzaken: volledige ketentracering van materialen tot apparatuur
(1) Materiaaleigenschappen: aangeboren beperkingen van de stroomcapaciteit
Materialen spelen een fundamentele rol bij het maken van korte shots. De belangrijkste factoren zijn twee aspecten: vloeibaarheid en zuiverheid.
Hoogviskeuze materialen (bijv. PC, PPO, PC + 20% minerale vulstof) vertonen een hoge smeltstroomweerstand. Vooral bij dunwandige producten (≤ 2 mm) of producten met een lange vloeiweg (vloeiverhouding > 100:1) is de kans op korte stromingen groot als gevolg van onvoldoende vloei. Onzuiverheden, niet-gesmolten deeltjes of een overmaat aan smeermiddelen in de grondstoffen verergeren het probleem verder: onzuiverheden kunnen de gietkanalen blokkeren en "stromingsobstakels" vormen, terwijl een overmaat aan smeermiddelen smeltslip kan veroorzaken, waardoor de effectieve vuldruk afneemt.
Bovendien verhoogt de heroriëntatie van glasvezels bij glasvezelversterkte materialen (bijv. PP + 30% GF) de stromingsweerstand. Gebieden met geconcentreerde lange vezels kunnen zelfs een netwerkstructuur vormen, waardoor de smeltontwikkeling wordt belemmerd.
(2) Vormontwerp: structurele defecten in stroompaden
De rationaliteit van het matrijsontwerp bepaalt direct de soepelheid van de smeltstroom. Veelvoorkomende ontwerpproblemen zijn onder andere:
● Onjuist ontwerp van de geleiders en kleppen (te dunne geleiders, verplaatste klepposities of te kleine kleppen), wat leidt tot te veel drukverlies;
● Slechte ventilatie van de holte: Opgesloten lucht kan niet ontsnappen, waardoor er tegendruk ontstaat die het vullen van de smelt belemmert;
● Onjuiste inrichting van het koelsysteem: door plaatselijke overkoeling stolt het smeltwater voortijdig;
● Complexe productgeometrie (bijv. dichte mazen, smalle ribben): Verhoogt de stromingsweerstand en vormt gemakkelijk zones met stromingsstagnatie.
Het gaasgedeelte van de onderkant van een notebook (NB) heeft bijvoorbeeld een groot contactoppervlak en voert snel warmte af. Het is niet alleen een gebied met een hoog risico voor korte opnamen, maar ook gevoelig voor flitsdefecten vanwege de hoge druk die nodig is voor het vullen.
(3) Procesparameters: onevenwichtige afstemming van de vormomstandigheden
Procesparameters zijn de meest directe oorzaak van short shots, waarbij de kern ligt in de driehoekige afstemming van temperatuur, druk en snelheid.
● Onvoldoende injectiedruk of -snelheid resulteert in onvoldoende voortstuwingskracht van het gesmolten materiaal. Omgekeerd kan een te hoge snelheid lucht insluiten, terwijl een te lage snelheid ervoor zorgt dat het gesmolten materiaal voortijdig stolt.
● Een lage smelttemperatuur of matrijstemperatuur verhoogt de smeltviscositeit aanzienlijk. Zo is de vloeibaarheid van PP-materiaal bij 200 °C veel lager dan bij het optimale temperatuurbereik (220-240 °C).
● Onjuiste instellingen voor de houddruk (bijvoorbeeld een te late omschakeling, onvoldoende druk) compenseren de krimp van de smelt niet, wat leidt tot een materiaaltekort aan het einde van het onderdeel.
De 'one-size-fits-all'-strategie met constante snelheidsinjectie in traditionele processen kan zich niet aanpassen aan de wet van drukverval van producten met een lange stromingsweg, wat ook een belangrijke oorzaak is van progressieve korte injecties.
(4) Prestaties van de apparatuur: onvoldoende precisie bij energieoverdracht
De prestaties van spuitgietmachines hebben een directe invloed op de stabiliteit van de "energietoevoer", en het optreden van korte schoten varieert aanzienlijk tussen machines van verschillende merken. Bij elektrische spuitgietmachines zijn de belangrijkste beïnvloedende factoren de nauwkeurigheid van de drukoverdracht, de stabiliteit van de stroomsnelheid en de uniformiteit van het temperatuurveld:
● Fanuc-machines hebben een hoog vervalpercentage (tot 60%), wat gemakkelijk kan leiden tot een progressief materiaaltekort;
● Reactievertragingen in de drukregelklep van Sumitomo-machines kunnen een intermitterende onderbreking van de stroom veroorzaken;
● Snelheidsschommelingen in Haïtiaanse machines zorgen voor drukinstabiliteit, wat resulteert in een algehele ondervulling.
Bovendien kunnen defecten aan de apparatuur, zoals lege trechters, geblokkeerde invoeropeningen en versleten terugslagkleppen, een daling van de werkelijke injectiedruk of druklekkage veroorzaken, waardoor problemen met korte injecties nog erger worden.
III. Alomvattende oplossingen: een systematische strategie van preventie tot uitroeiing
(1) Materiaaloptimalisatie: verbetering van de doorstromingscapaciteit bij de bron
De kern van materiaalaanpassing is het verminderen van de stromingsweerstand. Dit kan worden bereikt door middel van drie benaderingen:
1. Vervang door harssoorten met een betere vloeibaarheid: Selecteer materialen met een hogere smeltstroomsnelheid (MFR) om de injectiedruk die nodig is voor het vullen te verlagen;
2. Modificatie van grondstoffen: Verbeter de smeltvloeibaarheid door weekmakers toe te voegen, het aandeel vulstoffen te verminderen of de lengteverdeling van glasvezels te optimaliseren;
3. Voorbehandeling van de grondstof: Controleer strikt het gehalte aan onzuiverheden en zorg dat hygroscopische materialen volledig droog zijn om viscositeitsschommelingen veroorzaakt door vocht te voorkomen.
Voor glasvezelversterkte materialen zoals PP + 30% GF kunnen de schroefcompressieverhouding en de lengte van het menggedeelte worden aangepast om glasvezelbreuk te verminderen en de stromingsweerstand te verlagen.
(2) Optimalisatie van de mal: het bouwen van een soepel doorstromingssysteem
Voor schimmelverbetering is nauwkeurige optimalisatie nodig in combinatie met CAE-matrijsstroomanalyse:
● Ontwerp van de geleider en de poort: vergroot de geleider, optimaliseer de poortpositie (bijv. door van een zijpoort naar een middenpoort te gaan) en breng de vultijd van elke holte in balans. Een bepaald auto-onderdeel behaalde met deze methode een 20% hogere vulsnelheid;
● Ventilatiesysteem: Voeg ventilatiegroeven toe (diepte ≤ 0,02 mm, breedte 5-10 mm) aan het einde van de holte en luchtaccumulatiegebieden, of gebruik poreuze stalen inzetstukken om de impact van tegendruk te elimineren;
● Koelsysteem: Voorkom plaatselijke overkoeling; voor producten met een lange doorstroomweg kunnen aan het uiteinde extra verwarmingsstaven worden geïnstalleerd om de smelttemperatuur te handhaven;
● Producten met een complexe structuur: optimaliseer de productgeometrie via CAE-simulatie, zoals het dikker maken van dunwandige oppervlakken of het vereenvoudigen van stroompaden om de stroomweerstand te verminderen.
(3) Procesoptimalisatie: het bereiken van nauwkeurige procescontrole
De sleutel tot procesaanpassing is het tot stand brengen van een dynamische afstemming tussen 'temperatuur, druk en snelheid':
● Temperatuurregeling: verhoog de smelttemperatuur (bijvoorbeeld door de PP-temperatuur te verhogen van 200°C naar 220-240°C) en de matrijstemperatuur op de juiste manier om de smeltviscositeit te verlagen en tegelijkertijd materiaaldegradatie door te hoge temperaturen te voorkomen;
● Druk- en snelheidsregeling: Gebruik een gesegmenteerde injectiestrategie en pas parameters dynamisch aan op basis van de lengte van het stromingspad. Gebruik bijvoorbeeld hoge druk en hoge snelheid in de beginfase om snel een drukgradiënt te creëren, handhaaf de druk in de middelste fase om drukverval te compenseren en verlaag de snelheid in de laatste fase om flash te voorkomen. Gebruik tegelijkertijd een geleidelijk afnemende houddruk om plotselinge drukveranderingen te voorkomen;
● Principe van parameteraanpassing: volg het principe van "klein en geleidelijk": pas de injectiedruk elke keer met 5%-10% aan om nieuwe defecten te voorkomen die worden veroorzaakt door drastische parameterwijzigingen.
(4) Optimalisatie van apparatuur: zorgen voor stabiele energieoverdracht
Optimalisatie op apparatuurniveau omvat:
● Kalibreer regelmatig de injectiedruk en de nauwkeurigheid van de stroomsnelheid om de nauwkeurigheid van de drukoverdracht te garanderen;
● Controleer en vervang versleten terugslagkleppen om drukverlies te voorkomen;
Ontwikkel gedifferentieerde parameters op basis van de kenmerken van machines van verschillende merken. Fanuc-machines moeten bijvoorbeeld gericht zijn op het compenseren van afname van de stroomsnelheid, Sumitomo-machines vereisen het optimaliseren van de timing van de schakeltijd van de houddruk, en Haïtiaanse machines moeten snelheidsfluctuaties beheersen;
● Voor producten met een lange doorstroomweg en dunwanden selecteert u apparatuur met een hogere stabiliteit wat betreft injectievolume, druk en snelheid om korte injecties te voorkomen die worden veroorzaakt door onvoldoende apparatuurcapaciteit.
IV. Praktijkvoorbeelden: De weg van massale korte shots naar 95% rendement
Case 1: Oplossing voor korte schoten in dunwandige bumpers voor nieuwe energievoertuigen
Een bepaalde autofabrikant produceerde dunwandige bumpers van PP + 30% GF (wanddikte: 1,8 mm, vloeiverhouding: 120:1). Alle drie de elektrische spuitgietmachines ondervonden massale kortsluitingen, met een materiaaltekort van 2-5 mm aan het einde van de onderdelen. De traditionele methode van het verhogen van de injectiedruk verbeterde het probleem slechts met 15% en veroorzaakte ernstige vlamvorming.
Oplossing: Er werd een gekoppelde optimalisatiestrategie van ‘apparatuurkarakteristieken – materiaalgedrag – procesparameters’ aangenomen:
● Voor Fanuc-machines: Gesegmenteerde injectie werd geïmplementeerd (beginfase: 140 MPa/200 mm/s → middenfase: 120 MPa/150 mm/s → eindfase: 100 MPa/100 mm/s). Aan het einde van de gietkanalen werden extra verwarmingselementen geplaatst om de temperatuur aan het einde te verhogen van 185 °C naar 220 °C, waardoor de viscositeit met 48% daalde.
● Voor Sumitomo-machines: de timing van het schakelen van de houddruk werd geoptimaliseerd om de responsvertraging te verkorten tot 0,05 seconden, en de R-hoek bij de bochten van de lopers werd vergroot tot 1,5 mm;
● Voor Haïtiaanse machines: De lengte van het schroefmenggedeelte werd aangepast om de ongelijkmatige verspreiding van glasvezels te verminderen en de snelheidsfluctuatie werd binnen ±1 tpm geregeld.
Uiteindelijk was het defect bij korte opnamen volledig opgelost, steeg de opbrengst van 70% naar 95% en nam het flitsvolume met 80% af.
Case 2: Samenwerkingsoplossing voor korte shots en flitsen in het gaasgebied van NB-onderdeksels
Een bepaalde onderkant van een notebook (NB) (wanddikte: 1,2 mm, PC + 20% minerale vulstof) vertoonde zowel korte stoten als bramen door de dichte mazen. Drie aanpassingen aan de schuifopening leverden geen significante verbetering op. CAE-matrijsstroomanalyse toonde aan dat het maasoppervlak een hoge stromingsweerstand en geconcentreerde druk had.
Oplossing:
● Het gaas werd geoptimaliseerd met behulp van een equivalent wanddiktecorrectiemodel, waarbij de wanddikte van het gaasgebied werd aangepast naar 1,05 mm;
● Het poortsysteem is opnieuw ontworpen: van een vierpuntspoort is overgegaan op een tweepunts symmetrische poort en de diameter van de dwarsbalk is vergroot tot 8 mm;
● In het dichte gaasgebied zijn micro-ventilatiegroeven (diepte: 0,015 mm) toegevoegd;
● Procesparameters werden aangepast: de smelttemperatuur werd verhoogd van 260°C naar 275°C en de strategie 'vullen met lage snelheid - vasthouden met hoge druk' werd toegepast.
Na optimalisatie werd het defect bij korte opnamen geëlimineerd en daalde het flitsdefectpercentage van 35% naar 2%.
V. Conclusie: kernlogica van preventie en bestrijding van korte schoten
Het short shot-probleem bij spuitgieten is in wezen een mismatch tussen het stromingssysteem, de energieoverdracht en de materiaaleigenschappen. Het voorkomen en beheersen van short shots vereist het opzetten van een gesloten systeem van "preventie - diagnose - optimalisatie":
● Potentiële risico's worden in de ontwerpfase voorkomen door CAE-matrijsstroomanalyse;
● De oorzaken worden nauwkeurig gediagnosticeerd op basis van de manifestaties van het defect;
● Een radicale oplossing wordt bereikt door de gezamenlijke optimalisatie van materialen, mallen, processen en apparatuur.
Met de toenemende populariteit van precisiespuitgieten is het voorkomen en beheersen van korte schoten geëvolueerd van eenvoudige parameteraanpassing naar een multidimensionale systeemtechniek. Alleen door het kernmechanisme te beheersen en te combineren met praktische ervaring kunnen we de productopbrengst effectief verbeteren en de productiekosten verlagen.
